预应力混凝土连续梁桥优化设计常量理论探析

【摘要】1.1 桥跨 合理布置桥跨要求桥跨的总长度和各桥梁的跨度都要符合《公路桥梁设计手册》上的要求，比如：在理论上，梁桥的最大跨度在250～300m之间，而在实际中符合经济效益的跨度是10...

摘 要：本文以常量理论为主，从箱梁桥的尺寸和混凝土配置两个方面上，对预应力混凝土桥梁的设计优化进行简析。

关键词：常量理论；预应力混凝土；连续梁桥；设计优化

0 引言

如果设计者不能够准确拿捏各构件断面的尺寸，就会出现构件断面应力不均衡的现象。对此，设计者只能根据自身的专业知识以及设计经验，并以相似的工程为例，判断断面的初始尺寸。下面笔者将以常量理论为主，对预应力混凝土连续梁桥进行设计优化。

1 预应力箱梁桥构件尺寸设计

1.1 桥跨

合理布置桥跨要求桥跨的总长度和各桥梁的跨度都要符合《公路桥梁设计手册》上的要求，比如：在理论上，梁桥的最大跨度在250～300m之间，而在实际中符合经济效益的跨度是100～240m。

预应力混凝土连续梁桥的边跨与主跨的比值会直接影响到结构的受力是否合理。如果比值过大，会使边跨受到较大的主拉应力，各跨的刚度之间也会产生较大的差值；如果比值过小，会使主墩受力不均，造成坍塌。要在保证桥梁安全和稳定的前提下，尽可能地降低桥梁的恒载重量，梁高较小的情况下除外。梁高的变化会引起截面刚度的变化，但是对截面剪应力和主拉应力的影响更大一些。

1.2 腹板、顶板和底板

箱梁桥的顶和底板的厚度，特别是腹板的厚度，会直接影响到桥体自身截面的抗剪能力以及钢筋的布置，并且腹板的厚度和桥体自身截面的抗剪能力在一定的范围内是呈正比。

（1）腹板。虽然增加腹板的厚度可以提高桥体自身截面的抗剪能力，但是同时也会增加桥梁的自重，当在重荷载达到70%时，要尽量减少自重。与其他形式的桥体相比，箱行截面预应力混凝土梁式桥的腹板受力较为复杂，比如：正截面法向应力和剪应力等。同时由于腹板比较小，所以关于腹板厚度的设计要格外谨慎。

（2）顶板与底板。底板厚度与弯矩是成正比的，通常情况下，根部底板的厚度是根部梁高的1/10～1/12。在受力要求上，顶板既要承受桥面板的受力，又要满足力筋的构造要求。

1.3 横隔梁

在腹板之间设置横向连接可以提高箱梁的横向刚度。横向连接一般是在梁端或者是连续梁中支点的截面处。从受力的角度来说，很多国家减少或是取消中间横隔板的做法是可取的，因为其作用可以用其他的方法替代，比如局部加强腹板。横隔板的数量与施工难度是成正比的，这样一来就会拖延工期，所以为了保证按时完成工程，可以选择不设或是少设，然而从设计的安全性上来讲，最好还是设置。

1.4 其他细部构件

（1）悬臂板。在悬臂板上设置加劲肋或是斜撑，可以增加悬臂板伸出的长度。悬臂自由长度的增加对弯矩数值没有太大的影响，但是一旦确定了悬臂板的长度，就会对由恒载引起的弯矩产生作用。

（2）梗腋。在顶板和腹板的接头处设置梗腋，可以使截面的抗扭刚度和抗弯刚度有所提高，并相应地降低扭转剪应力和畸变应力。为了减小桥面板的跨中正弯矩的数值，可以加大桥面板的支点刚度。另外，梗腋还可以降低次应力。

2 预应力箱梁桥钢筋的配置设计

2.1 纵向钢筋

传统的纵向预应力配索方案是根据在不同应力情况下受弯梁的破坏形态确定出来的，所以这种方案在实际工程中很实用。随着时代的发展，现代桥梁工程的要求越来越高，传统纵向预应力配索方案稍有调整，并在20世纪80年代出现了直线式纵向预应力配索方案。以下是对直线式纵向预应力配索方案的介绍：

（1）理论依据。在强大的纵向预应力的作用下，主梁发挥着一个偏心受压构件的作用，并且纵向预应力和竖直截面所产生的摩擦力完全可以满足竖直截面对抗剪力的要求。可以利用竖向预应力和纵向预应力来控制腹板的主拉应力。

（2）正确的纵向预应力配索方案。正确的配索方案首先要符合预应力混凝土结构学，其次是结合受弯梁的受力状态。因为预应力混凝土箱梁桥的情况比较复杂，所以要考虑到纵向预应力配索的锚头布置等多个方面。在不了解抗剪强度机理的情况下，从长远的眼光上来看，添加一定量的钢筋是安全经济的。

2.2 竖向钢筋

预应力钢筋一般是配置在腹板内。从弹性力学理论上来看，竖向预应力具有减小主应力和主拉应力的作用，但是对剪应力没有什么作用。然而在实际设计中，却忽略了箱梁的抗剪截面尺寸和抗剪极限承载力的验算。按理说，腹板尺寸是由抗剪极限承载力决定的，所以竖向预应力对控制应力和控制界面没有什么作用。另外还有一个原因是箱梁的高度受到了限制，竖向预应力筋无法完全发挥出来。除此之外，还有一个重要的原因是预应力筋与预留孔道之间的粘结操作质量较差，具体原因体现在两个方面：第一，水泥和粗料集的砂配搅拌成的灌浆料没有足够的抗剪强度；第二，砂浆的含水量较大，形同虚设。所以可以取消竖向预应力钢筋，尽可能地配置腹板钢筋。

用增加箱梁的截面尺寸代替塑像预应力筋，可以达到提高箱梁的承载力和抗剪能力的效果。常用的增加截面尺寸的方法分别是增加箱梁截面的高度和增加箱梁腹板的厚度。前者受到桥下净空要求的限制，在设计上不容易实现，并且会影响到桥体的美观；而后者既可以满足荷载要求，还可以缩短工期，所以优先选择增加腹板厚度这种方法。

2.3 底板钢筋

根据实际情况分析，配置底板预应力钢筋对提高底板的抗拉能力的效果并不明显，主要原因有：

（1）在箱梁中跨的底板设置预应力钢筋，就要在中跨附近的支座处断开，并且要按照后张法施工，在实际施工很困难，并且施工质量也较差。

（2）波纹管与钢筋粘结在一起，钢筋的保护层厚度会不够，粘结力度也不符合要求，会导致底板产生裂缝，施工质量无法得到保障。

底板产生裂缝的主要原因是：第一，底板钢筋过密；第二，预应力损失较大；第三，薄底板产生温缩。对此增加腹板的尺寸，将受力转移到腹板上，在底板配置预应力钢筋，可以有效避免裂缝的产生，从而提高混凝土结构的稳定性和安全性。

3 结语

在预应力混凝土连续箱梁桥的设计优化过程中，要重点关注底板、顶板以及腹板厚度，对于横隔梁和预应力筋的设置要严格遵循相关理论进行，并结合实际施工情况进行参考。

参考文献：

[1]廖雅杰.波纹钢腹板预应力混凝土箱梁设计方法研究[D].长安大学，2011（05）.

[2]吕志涛，潘钻峰.大跨径预应力混凝土箱梁桥设计中的几个问题[D].土木工程学报，2010（01）.

[3]夏桂云.预应力混凝土箱梁承载力与裂缝研究[D].中南大学，2006（05）.

[4]任国红.预应力混凝土连续箱梁设计施工中若干关键问题的研究[D].合肥工业大学，2005（03）.